Il segreto della spirale: perché tutti gli embrioni di serpente si avvolgono verso destra

In natura, le forme geometriche non nascono mai per puro caso. Quando la biologia propone un disegno ricorrente — che si tratti delle scanalature di una conchiglia, della disposizione dei semi in un girasole o della forma di una galassia — c’è quasi sempre una risposta profonda, legata alla fisica, alla meccanica e all’evoluzione, che attende di essere svelata.

Una ricerca scientifica di primo piano, pubblicata sulla prestigiosa rivista Current Biology (con il contributo fondamentale del Canadian Museum of Nature e dell’Università della British Columbia), ha svelato uno dei misteri anatomici più affascinanti e fino ad oggi incompresi del regno animale: perché e come gli embrioni di serpente si avvolgono in una perfetta spirale all’interno dell’uovo prima di nascere?

La risposta non risiede soltanto in complessi interruttori genetici, ma in una vera e propria sfida di ingegneria biomeccanica.

1. Il dilemma dello spazio: far entrare un gigante in una scatola di fiammiferi

I serpenti vantano una caratteristica anatomica unica tra i vertebrati: un corpo incredibilmente lungo, composto in alcune specie da centinaia di vertebre e segmenti corporei (fino a cinque volte il numero presente negli altri vertebrati). Tuttavia, la vita di un serpente inizia all’interno di uno spazio estremamente ridotto e rigido: un uovo, o nel grembo materno.

Come fa un organismo in rapida crescita ad allungarsi a dismisura in un ambiente protetto senza aggrovigliarsi, senza schiacciare i propri organi vitali e senza soffocare la propria linea di nutrimento?

Analizzando oltre 900 immagini e scansioni embrionali relative a circa 39 specie differenti di serpenti e lucertole senza zampe, i ricercatori si sono accorti di un fenomeno straordinario: nelle prime settimane di sviluppo, il 100% (o quasi) degli embrioni si avvolge rigidamente in senso orario, ovvero verso destra (destrorsi). Non esistono eccezioni casuali. Tutti i piccoli serpenti, prima ancora di possedere i muscoli per potersi muovere autonomamente, “scelgono” la stessa identica direzione.

2. Il motore fisico della spirale: il “pilastro intestinale” e la massa del tuorlo

Per lungo tempo si è pensato che la formazione della spirale fosse guidata esclusivamente da complessi codici genetici di simmetria (i cosiddetti geni Hox). La vera svolta dello studio è arrivata tramite scansioni di micro-tomografia computerizzata (Micro-CT) ad alta risoluzione.

Analizzando la struttura interna dell’embrione, i biologi hanno scoperto un elemento anatomico del tutto inatteso: il pilastro viscerale.

Durante le prime fasi dello sviluppo embrionale si verifica un vistoso “disallineamento” dei tassi di crescita:

• La colonna vertebrale e lo scheletro assiale crescono a una velocità spaventosa, allungandosi vertiginosamente.

• L’apparato digerente (l’intestino) cresce a un ritmo molto più lento.

Per compensare questo divario, l’intestino temporaneamente si distacca parzialmente dal corpo centrale, formando un fascio teso al centro della cavità — un vero e proprio “tirante”.

Quando un oggetto flessibile in rapida espansione è ancorato a un cavo fisso e più corto, la forza di compressione fa sì che la parte più lunga si pieghi e si attorcigli su se stessa (fenomeno fisico noto come buckling o imbozzamento). È lo stesso principio per cui un nastro da imballaggio o una cinghia elastica tendono ad attorcigliarsi quando vengono tirati da un solo lato.

Perché proprio verso destra?

La forza fisica spiega perché l’embrione debba attorcigliarsi, ma cosa determina la direzione? Qui entra in gioco un secondo fattore anatomico: la massa del tuorlo d’uovo.

Nelle prime fasi, la grande sacca del tuorlo si trova costantemente sul lato sinistro dell’embrione. Trovando una barriera fisica insormontabile a sinistra, la spinta meccanica generata dall’allungamento della colonna vertebrale scarica la propria energia verso l’unico spazio libero disponibile: destra. Il risultato è una spirale destrorsa matematicamente e fisicamente inevitabile.

3. Dal determinismo al caos: cosa succede prima della schiusa

Un altro aspetto affascinante rivelato dalla ricerca riguarda la fase tardiva dello sviluppo embrionale. Con il passare delle settimane:

1. L’intestino accelera la propria crescita e si riallinea al resto del corpo, eliminando l’effetto “tirante”.

2. Il tuorlo viene gradualmente riassorbito e consumato, liberando spazio prezioso.

3. I muscoli dell’embrione si sviluppano, consentendogli di muoversi attivamente.

A questo punto, la rigidità meccanica iniziale scompare. L’embrione, ormai in grado di muoversi all’interno dell’uovo, si riposiziona. Negli esemplari prossimi alla schiusa, la simmetria iniziale si rompe: circa il 50% dei serpenti rimane avvolto verso destra, mentre il restante 50% si riavvolge verso sinistra.

La forma iniziale era dunque una pura costrizione fisica di accrescimento, non una preferenza comportamentale o “mancinismo” dell’animale adulto.

Considerazioni personali: la bellezza della fisica applicata alla vita

Questo studio offre lo spunto per alcune riflessioni profonde sul modo in cui guardiamo alla biologia e all’evoluzione.

• La forza della semplicità contro l’iper-specializzazione: Negli ultimi decenni, la biologia moderna si è focalizzata quasi esclusivamente sulla genetica molecolare, cercando in sequenze di DNA e trasformazioni chimiche la risposta a ogni singolo tratto fenotipico. Questa ricerca dimostra in modo lampante che la natura lavora spesso come un eccellente ingegnere strutturale. Prima ancora dei geni, sono le leggi fondamentali della fisica, della geometria e della meccanica dei fluidi e dei materiali a plasmare la vita.

• La serendipità della ricerca: È affascinante notare come un progetto scientifico di tale portata sia nato durante i mesi di isolamento per il lockdown del 2020. Impossibilitati ad accedere ai laboratori ad alta tecnologia, i ricercatori hanno iniziato a fare qualcosa che la scienza moderna talvolta dimentica: osservare con pazienza. Sfogliare centinaia di foto, confrontare campioni di museo, notare un dettaglio ricorrente e porsi una domanda elementare.

• Un modello universale per la natura: Comprendere come si piega un embrione di serpente non serve solo agli erpetologi. Le strutture a spirale e i problemi di impacchettamento tridimensionale si ripresentano ovunque in biologia: dal modo in cui il nostro intestino si ripiega nella cavità addominale, alla crescita dei viticci delle piante ramificate, fino alla forma delle conchiglie dei molluschi. Trovare un modello fisico così elegante potrebbe aiutarci in futuro a capire difetti nello sviluppo embrionale umano o a progettare nuovi materiali bio-ispirati e morbidi capaci di auto-assemblarsi.

In un’epoca in cui spesso immaginiamo la natura come un codice informatico digitale scritto nel DNA, scoperte come questa ci ricordano che gli organismi viventi sono fatti di materia tangibile, soggetti a tensioni, spinti da pressioni e modellati dalle medesime leggi fisiche che governano l’intero universo.

Traduzione dell’abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link al DOI originale.

Abstract

Gli embrioni di serpente sono spesso avvolti strettamente, ma la base biologica di questa caratteristica dello sviluppo rimane un enigma. Per comprendere come e perché si avvolgono, abbiamo innanzitutto studiato le direzioni di avvolgimento all’interno e tra 39 specie di serpenti e altri squamati senza arti. Nelle prime fasi dello sviluppo, l’orientamento dell’avvolgimento sembra essere quasi fisso, destrorso, in diverse specie. Presentiamo prove che dimostrano come la somitogenesi accelerata superi l’estensione gastrointestinale in queste fasi, causando l’avvolgimento della colonna assiale e della serie somatica attorno ai tessuti viscerali in ritardo di sviluppo. Per consentire ciò, l’asse corporeo e l’intestino sono fisicamente separati, dove quest’ultimo forma una struttura a pilastro dallo stomaco alla cloaca. L’iniziale tendenza destrorsa in questi embrioni precoci è probabilmente determinata passivamente dalla massa vitellino sul lato sinistro. L’avvolgimento diventa più lasso e incoerente nelle fasi successive dello sviluppo, quando gli embrioni acquisiscono mobilità attraverso la maturazione dei tessuti muscoloscheletrici assiali e con un intestino sufficientemente esteso. Queste osservazioni convergenti rivelano, nell’avvolgimento embrionale, una serie di risposte dei tessuti in crescita alle limitazioni spaziali durante l’embriogenesi dei serpenti. Poiché questi parametri sono in conflitto in alcune fasi dello sviluppo (ad esempio, le curve di crescita sfalsate tra l’intestino e l’asse corporeo), i serpenti apparentemente risolvono alcune delle numerose difficoltà nel modellare i loro corpi sorprendentemente allungati avvolgendosi su se stessi, sfruttando quelle che altrimenti sarebbero caratteristiche discordanti della crescita embrionale.

 

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